高層建筑供配電線路選擇優(yōu)化探析

趙家敏ZHAO Jia-min

（云南開放大學，昆明 650223）

（Yunnan Open University，Kunming 650223，China）

0 引言

由于技術、經(jīng)濟等因素的巨大變化，材料、能源價格隨著經(jīng)濟的發(fā)展不斷變化，尤其是有色金屬價格、用電負荷以及電價都呈上漲趨勢。現(xiàn)在有必要對導線截面積的選取標準重新審視，根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展的實際情況，合理選擇導線截面，可以實現(xiàn)線路工程資源占用和長期能源消耗間的平衡，有利于供配電系統(tǒng)的節(jié)能降耗，提高線路投資效果。

1 高層建筑供配電特點與方式

1.1 高層建筑供配電特點 隨著城市化進程加快，高層建筑越來越普遍，而高層建筑具有單體樓層高和建筑面積大，集居居住、商業(yè)、辦公等功能于一體，具備高標準的多元化功能。這類建筑內部配套電氣設備多，以滿足現(xiàn)代化辦公、管理和生活的需要，同時還具有人員密度大，火災隱患多，對消防保安要求高等特點，這使得傳統(tǒng)的高層建筑供配電方式無法滿足人們日益增長的用電需求。

1.2 高層建筑供配電方式 現(xiàn)代高層建筑供配電線路按一級負荷要求進行供電。又根據(jù)GB500522009 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范規(guī)定，建筑內多為一、二級負荷，干線應設置兩個及以上的獨立10kV 電源同時供電，對超大型的高層建筑（群）也有取35kV 電源，甚至110kV 電源。

2 高層建筑供配電線路的選擇原則

2.1 滿足機械強度 按使用環(huán)境和敷設方法選擇導線的類型，按機械強度條件選擇導線的截面。由于現(xiàn)代建筑對設備的要求越來越高，特別是在民用建筑中，基導線本上不會架空敷設，所以民用建筑電氣設計中基本不用此種方式選擇導線。

2.2 按允許載流量選擇 導體的允許載流量，不僅和導體的截面、散熱條件有關，還與周圍的環(huán)境溫度有關。在資料中所查得的導體允許載流量是對應于周圍環(huán)境溫度為θ0=25℃的允許載流量，如果環(huán)境溫度不等于25℃，允許載流量應乘以溫度修正系數(shù)Kt。先計算線路的計算電流IC、確定導線類型、線路的敷設方式、明確環(huán)境溫度、再以上條件查表，根據(jù)Ial≥Ica選擇導線截面Sa，才能使絕緣介質不燃燒，老化不加速。高層建筑中電線和電纜導體一律采用絕緣層為阻燃型銅芯材質。

2.3 按允許電壓損失校驗 當有電流流過導線時，由于線路中存在電阻、電感等因素，必然引起電壓降落，電能的損耗。為了保證電壓損失在允許值的范圍內，就必須保證導線有足夠的截面積，從而使電壓下降不至于過多。線路電壓損失的大小是與導線的材料、截面的大小、線路的長短和電流的大小密切相關的，線路越長、負荷越大，線路電壓損失也將越大。

3 供配電線路的選擇優(yōu)化模型

高層建筑供配電線路選擇時，除了必須滿足安全可靠和技術要求外，還要考慮經(jīng)濟性。經(jīng)濟性既要節(jié)約投資費，又要減少年運行費。因此，存在一個按經(jīng)濟電流密度選擇導線、電纜截面，從而使供配電線路經(jīng)濟上最優(yōu)。我國目前按最大負荷利用小時數(shù)查經(jīng)濟電流密度選擇導線、電纜截面。因此，據(jù)此選擇導線、電纜截面雖經(jīng)濟，但不是最優(yōu)。最優(yōu)經(jīng)濟電流密度還要同時考慮投資費、年運行費和計算年限期末固定資產余值代數(shù)和最小，在計算中，運用動態(tài)計算法，需將各項項費用折現(xiàn)。總擁有費用現(xiàn)值PC 計算模型式為：

式中，K——初始投資電纜主材、附件費用及施工費用之和，（元）；可近似表示為電纜截面積S 的線性函數(shù)；Cf——電纜運行損耗費用（與負載大小、年最大負荷利用小時、電價、電纜截面和使用費用等因素有關），（元）；R 為干線壽命計算期期末固定資產余值，（元）。

式中，A 為成本的可變部分，（元/（mm2.m））；S 為電纜截面面積，（mm2）；B 為成本的不變部分，（元/m）；L 為電纜的長度，（m）。

式中，Imax為最大負荷電流，（A）；R 為單位長度電纜的交流電阻，（Ω/m）；NP為每回電纜相線數(shù)目；NC為電纜回路數(shù)；τ 為最大負荷損耗小時數(shù)，（h）；p 為電價，（元/kWh）。

式中，f 為電纜廢銅的單位價格，（元/kg）；m 為電纜的單位重量，（kg/m）；L 為電纜的長度，（m）。

式中，（P/A，i，t）為年金現(xiàn)值系數(shù)，（P/F，i，n）為一次性支付現(xiàn)值系數(shù)，i 為銀行貼現(xiàn)率；t 為線路壽命計算期（t=n），（年）。在滿足供配電安全和技術要求的情況下，總擁有費用現(xiàn)值PC 最小的供配電線路投資方案最優(yōu)。

4 應用分析

4.1 傳統(tǒng)導線選擇 以往在選擇配電電纜時，通常都根據(jù)敷設條件確定電纜型號，再按發(fā)熱條件選擇電纜截面，最后選出符合其載流量要求，并滿足電壓損失及熱穩(wěn)定要求的電纜截面。假設某高層建筑群有部分計算負荷302.4kW，入戶線路采用銅芯明敷400V 三相四線制供電，線路長度為100m。功率因數(shù)為0.9，允許電壓損失為5%，敷設環(huán)境溫度為25℃，對該負荷的配電線路進行選擇。

①由條件求負荷電流：

按發(fā)熱條件選擇電纜截面：根據(jù)敷設要求查表選用型號YHC 銅芯聚乙烯絕緣明敷截面S 為185mm2電力電纜，其截面允許的載流量為540A。

②根據(jù)允許電壓校驗：

所選擇導線滿足該負荷的配電干線要求，其配電線路采用3*185+1*95 形式供電。

4.2 優(yōu)化模式導線選擇 供配電線路截面選擇影響線路投資和電能損耗，當減少線芯截面時，初始投資減少，但線路損耗費用增大；反之增大線芯截面時，線路損耗減少，但初始投資增加，而在某一截面積區(qū)間內，電纜的初始投資、壽命期運行費用和計算年限期末固定資產余值代數(shù)和總費用現(xiàn)值最小。根據(jù)計算電流和經(jīng)濟電流密度：（若最大負荷利用小時數(shù)τ＝4500h，查表可得J=2.25A/mm2）

根據(jù)敷設要求查表選用型號YHC 銅芯聚乙烯絕緣明敷截面S 為240mm2電力電纜，其截面允許的截流量為660A，其配電線路采用3*240+1*120 形式供電。

4.3 兩種模式導線選擇分析

4.3.1 電纜初投資費 初始投資電纜主材、附件費用及施工費用組成。本例設備初投資包括電纜價格加上敷設綜合造價。兩種截面的電力電纜，長度為100m 時的電纜初投資費簡化計算：目前兩種電纜折合單價分別為500元/m 和640 元/m；敷設綜合單價均為11.23 元/m，則兩種截面電力電纜的初投資如下：

①185mm2電力電纜初投資費：

②240mm2電力電纜初投資費：

4.3.2 電纜運行損耗費用現(xiàn)值 電纜運行損耗費用與負載大小、年最大負荷利用小時、電價、電纜截面和使用費用等因素有關。兩種截面的電力電纜，長度為100m 時的運行損耗費用現(xiàn)值簡化計算：假設年利率i=10%，線路壽命計算期n＝20年，無年通貨膨脹和年負荷增長，查表可得年金現(xiàn)值系數(shù)（P/A，10%，20）=8.51；年最大負荷損耗小時數(shù)，取τ＝4500h，每回電纜相線數(shù)目NP=3，電纜回路數(shù)NC=1，綜合電價f=0.50 元/kWh。根據(jù)電阻率，可求出兩種截面積電纜的單位電阻rˉ1=9.29×10-5Ω/m，rˉ2=7.16×10-5Ω/m。

①185mm2電力電纜運行損耗費現(xiàn)值：

②240mm2電力電纜運行損耗費現(xiàn)值：

4.3.3 電纜壽命計算期期末固定資產余值現(xiàn)值 兩種截面的電力電纜，長度為100m 時的期末固定資產余值現(xiàn)值簡化計算：假設年利率i=10%，線路壽命計算期n＝20年，無年通貨膨脹和銅價上漲，查表可得一次性支付現(xiàn)值系數(shù)（P/F，10%，20）=0.15；電纜廢銅的單位價格為100 元/kg。根據(jù)銅的密度，可求出兩種截面積電纜的單位重量m1=5.82×10-3kg/m，m2=7.53×10-3kg/m。

①185mm2電力電纜計算期期末固定資產余值現(xiàn)值：

②240mm2電力電纜計算期期末固定資產余值現(xiàn)值：

4.3.4 兩種模式選擇的電纜總擁有費用現(xiàn)值

①185mm2電力電纜總擁有費用現(xiàn)值：

②240mm2電力電纜總擁有費用現(xiàn)值：

從分析過程可知，因此該配電入戶支干線電纜的最佳形式為3*240+1*120，其總擁有費用現(xiàn)值最小。隨著綜合電價的上漲和用電負荷的增加，這種支干線的配電電纜優(yōu)勢將會更明顯。

5 小結

總體而言，應該根據(jù)導線的不同用途、不用使用情況以及使用方式選擇導線的截面積。無論是根據(jù)何種方式計算出的導線截面，最終都不能低于規(guī)范的要求。在高層建筑電氣設計中，正確地選擇導線，對于保證高層建筑供配電系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟、合理地運行有著十分重要的意義。對經(jīng)濟電流密度選擇供配電電力電纜進行進一步優(yōu)化選擇，更有助于節(jié)約有色金屬與線路的投資決策，同時也有效地節(jié)約了電能。金屬消耗量和允許電壓損失最小才是高層建筑配電導線截面選擇優(yōu)化的關鍵要素，通過這兩個要素能達到有效地節(jié)約投資和滿足正常配電的雙重效果，這對高層建筑配電網(wǎng)絡的工程設計具有一定的參考價值。

[1]耿淬.城市住宅樓配電方案探析[J].電子世界，2013(18):34.

[2]劉兵等.建筑電氣與施工用電[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011，2.

[3]時思等.工程經(jīng)濟學[M].北京:科學出版社，2010.